JP2002181642A - 応力センサ装置及びその製造法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】歪みゲージ８が配された基板１が回路板２に固
定されてなる応力センサ装置において、長期間に亘る使
用に対しても基板１と回路板２との電気接続をより確実
に維持し、且つｚ方向への応力付与に対する基板１の撓
みを許容する。 【解決手段】基板１端部と回路板２とが、歪みゲージ８
から回路板２への電気接続に関与しないスペーサ部材４
を介して固定されることにより、基板１面と回路板２面
との間に空隙３が設けられ、歪みゲージ８から回路板２
への電気接続が、基板１上面、基板１下面、基板１側
面、基板１スルーホール１１内壁面、スペーサ部材４、
電気線から選ばれる１以上を経由して為される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、パーソナルコンピ
ュータ用ポインティングディバイスや、各種電子機器用
多機能スイッチ等に用いることができる応力センサ装置
及びその製造法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】歪みゲージが配された基板が回路板に固
定されてなる応力センサ装置については、特開２０００
−２６７８０３号公報にその開示がある。その構造は、
図２に示すように基板の下面と印刷回路板とを固着させ
ているのがはんだのみとなっている。またこのはんだは
８箇所に配され、歪みゲージ（抵抗素子）から印刷回路
板への電気接続部を兼ねている。またこのはんだは基板
と回路板とのスペーサとしての役割をも兼ね、ポストに
対し下方向（ｚ方向）に応力付与した際に基板の撓みを
許容する空隙を形成している。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記構造を採用するこ
とにより、図２（ａ）のようにポストへｘ軸方向の応力
を付与した場合、及び同図（ｂ）のようにポストへｚ軸
方向の応力を付与した場合のいずれも、当該応力がはん
だのみからなる電気接続部へ直接に付与されることとな
る。これは長期間に亘り繰り返して前記応力を付与した
場合、はんだ／基板界面、及びはんだ／印刷回路板界面
における剥離の発生が懸念される。当該剥離が生じる
と、基板と印刷回路板との電気接続を阻害することとな
る。

【０００４】そこで本発明が解決しようとする課題は、
歪みゲージが配された基板が回路板に固定されてなる応
力センサ装置において、長期間に亘る使用に対しても前
記基板と回路板との電気接続をより確実に維持し、且つ
ｚ方向への応力付与に対する基板の撓みを許容すること
である。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明の、歪みゲージ８が配された基板１が回路板
２に固定されてなる応力センサ装置は、基板１端部と回
路板２とが、歪みゲージ８から回路板２への電気接続に
関与しないスペーサ部材４を介して固定されることによ
り、基板１面と回路板２面との間に空隙３が設けられ、
歪みゲージ８から回路板２への電気接続が、基板１上
面、基板１下面、基板１側端面、基板１スルーホール１
１内壁面、スペーサ部材４側面、電気線から選ばれる１
以上を経由して為されることを特徴とする。

【０００６】この構成では、基板１と回路板２とを接
続、固定しているのは電気接続部５のみとなっていな
い。従ってポスト６に付与された応力が電気接続部５以
外の部分（スペーサ部材４、回路板２表面等）へ分散さ
れる。このため同じ用途での長期間に亘る使用に対し
て、基板１と回路板２との電気接続をより確実に維持す
ることができる。また基板１端部と回路板２とが、スペ
ーサ部材４を介して固定されることにより、基板１面と
回路板２面との間に空隙３が設けられ、ｚ方向への応力
付与に対する基板の撓みが許容可能となる。

【０００７】応力センサ装置において、下向き（ｚ方
向）への応力付与に何らかの機能を付与することによ
り、多機能化が図ることができる。例えばコンピュータ
のポインティングディバイスとして本発明の応力センサ
装置を使用した場合、いわゆるマウスをクリックする機
能を前記下向きへの応力付与に対応させることができ
る。また、いわゆる携帯電話等の小型携帯機器用の多方
向スイッチとして本発明の応力センサ装置を使用した場
合には、所定時間下向きへの応力付与をしたときに当該
携帯機器の電源のオン・オフの命令に対応させる等が可
能である。

【０００８】上記スペーサ部材４とは、図１（ａ）に示
すような基板１端部全域に亘って連続的に存在（以下、
「リング状」と記す。形状によっては円環とならない場
合があるが、便宜上「リング状」とする。）する形状や
柱状の樹脂やセラミック等や、図１（ｂ）に示すような
基板１の端部のみが肉厚になっている部分等、又は図１
（ｃ）に示すような回路板２の凸部７等をいう。ここで
図１（ｂ）に示す基板１がセラミックである場合のスペ
ーサ部材４の製法は、例えばセラミックを焼結（焼成）
させる前の成形金型の形状を調整する等である。

【０００９】また空隙３の高さは極端に大きい値が必要
なわけではなく、通常０．０１〜１．０ｍｍ程度で十分
である。従ってその分の厚みのスペーサ部材４が必要と
なる。

【００１０】スペーサ部材４は、リング状とする必要は
必ずしも無く、適度な太さ、つまり強度を有し、適当な
間隔で点在させるのであれば柱状としてもよい。例えば
１個又は２個以上のスペーサ部材４が組をなし、当該組
が３以上等間隔に配置されるような構成である。そのよ
うな構成でも本発明の課題を十分に解決できるためであ
る。前記適当な間隔は、好ましくは等間隔である。図４
には、外形が八角形の基板１端部に、２個で一組の柱状
スペーサ部材４が四組略等間隔に配置されている構成の
例を示している。又、この図は基板１端部に１個の柱状
スペーサ４を一組とし、それが八組略均等にに配置され
ている構成の例であるとも言える。

【００１１】スペーサ部材４をリング状に形成すると、
応力センサ装置の耐応力（強度）が向上する反面、感度
が低下する。またスペーサ部材４を点在させると基板１
が撓み易くなるため感度が向上する反面強度が低下す
る。従って応力センサ装置の用途や構成材料を考慮して
適宜強度と感度のバランスを調整する。

【００１２】電気接続部５について説明する。図１
（ａ）〜（ｃ）に示す電気接続部５の導電経路は、基板
１の下面にある歪みゲージ８から導出される図示しない
導体が、基板１に存在する図示しないスルーホール１１
内壁面を経由して基板１の上面にまで伸び、更に基板１
側面を経由して回路板２に到達している。この電気接続
部５の導電経路に代えて、基板１上面まで導体を到達さ
せて、基板１側面を経由させずに当該導体からいわゆる
フラットケーブル等金属線（銅等）を樹脂で被覆する形
態の電気線により、回路板２上面に到達させてもよい。
また歪みゲージが基板１上面に存在する場合には、そこ
から直接電気線を回路板２上面に到達させてもよい。

【００１３】更に電気接続部５について説明すると、前
記本発明の構成では、「歪みゲージ８から回路板２への
電気接続が、基板１上面、基板１下面、基板１側端面、
基板１スルーホール１１内壁面、スペーサ部材４側面、
電気線から選ばれる１以上を経由して為される。」とあ
るが、製造の容易さ、コスト等の面を考慮すると、電気
接続の経由箇所は少ない方が有利である。特に基板１側
面を電気接続の経由箇所とするためには、それを実現す
るためだけの設備や工程が必要となる場合がある。また
フラットケーブルのような電気線による電気接続は、作
業工程の自動化が他の手段に比して困難である。従って
基板１上面、基板１下面のどちらか一方又は両方及び必
要に応じて基板スルーホール内壁面を経由する導電経路
とするのが好ましい。但し、電気線や基板１側面を経由
する電気接続としてもよいことは勿論である。

【００１４】また上記本発明の構成において、基板１の
一方の面に、樹脂又は繊維強化樹脂からなるポスト６が
固着されることが好ましい。ポストの材質としては、セ
ラミックが従来からあったが、セラミックは焼結工程時
に多大なエネルギーを要する上に、成形時の形状によっ
ては焼結時にヒビが入る場合がある等の不都合がある。
それに対し樹脂又は繊維強化樹脂は、成形性に優れ、且
つ硬化温度がセラミックの焼結温度に比して非常に低
く、エネルギー消費が少なく、且つ前記のようなヒビも
入りにくいためである。

【００１５】このポスト６は、本発明の応力センサ装置
をパーソナルコンピュータ用ポインティングディバイス
や、携帯電話等の各種電子機器、特に小型携帯電子機器
の多機能多方向スイッチ等に適用する際には通常用いら
れている。ここで前記多機能多方向スイッチとして本発
明の応力センサ装置を用いる場合は、操作する者が触感
でどの方向に応力を付与するべきかを認識可能とするた
めに、ポスト６側面形状を多角形とし、ポスト６側面に
おける各平面に対し垂直に応力を付与することによって
各命令を電子機器に送信させることができるようにする
のが好ましい。このような多角形とする場合のポスト６
形状の複雑化等を考慮すると、前述したようにポスト６
は樹脂又は繊維強化樹脂からなることが好ましい。

【００１６】本発明の、歪みゲージ８が配された基板１
が回路板２に固定されてなる応力センサ装置の第１の製
造法は、基板１端部、又は基板１が配置される回路板２
における基板１端部と対応する位置に、ペースト状物質
を印刷し、当該ペーストを硬化させることにより基板１
と回路板２との間に空隙３を設けることを特徴とする。

【００１７】ここで得られるペーストを硬化したものが
スペーサ部材４の機能を担う。ここでのペースト状物質
は、エポキシ系、アクリル系等の樹脂を含むものが入手
のし易さから特に好ましく、それらを適宜選択できる。
また例えばこれらの材料を用いた場合のペースト硬化温
度は２５０℃以下が好ましい。その理由は、歪みゲージ
８が形成された後に前記硬化をさせる場合、その際の歪
みゲージ８が受ける熱に起因する歪みゲージ８への悪影
響を及ぼしにくいためである。

【００１８】またここで印刷、特にスクリーン印刷の手
法は、膜形成技術の中でも低コストで、且つ膜厚を均一
にでき、また膜厚を簡単に調整でき、大量生産に適する
利点を有する。この中でも本発明においては膜厚を均一
にできる点が特に重要である。その理由は基板１と回路
板２との間の空隙３を形成するに際し、スペーサ部材４
の高さにばらつきがあると、スペーサ部材４と当接しな
い基板１端部又は回路板２部分が存在し得ることとな
る。当該部分は、他のスペーサ部材４と当接する基板１
端部又は回路板２部分よりも基板１の撓みやすさが異な
る結果となるためである。基板１の撓みやすさが局部的
に異なると、加えた応力に対して歪みゲージ８が均一に
応答せず、正確でない値を出力するおそれがあり、応力
センサ装置の精度の高さを要求される用途では不利とな
る。従って本発明の製造に際してスペーサ部材４の形成
手段は、スクリーン印刷が好ましい。

【００１９】また印刷を実施する箇所は、基板１端部、
又は基板１が配置される回路板２における基板１端部と
対応する位置のどちらでもよい。基板１端部に印刷する
場合、応力センサの製造過程初期には、通常多数の基板
１が連なった状態である。従って一度の印刷操作で多数
の基板１端部へ印刷を実施し得る利点がある。それに対
して一枚の回路板２に必要な応力センサは通常１〜６個
であるため、印刷により樹脂ペーストを配するには一度
の印刷操作で１〜６個である。従って作業効率を考慮す
ると、印刷を実施する箇所は基板１端部が好ましい。特
にパーソナルコンピュータのポインティングディバイス
用応力センサは、通常一台に付き１個のみ必要であるた
め前記印刷を実施する箇所は基板１端部が特に好まし
い。

【００２０】上記ペーストを硬化した後、基板１と回路
板２とを固定する手段は、接着剤等による固着が好まし
い。その理由は上述したスペーサ４と当接しない基板１
端部又は回路板２部分にペースト状の接着剤が入り込む
ことにより、スペーサ４の高さのばらつきを低減できる
効果が期待できるためである。

【００２１】また本発明の応力センサ装置の第２の製造
法は、縦横に多数の分割用溝を有する大型の基板に対
し、当該分割用溝で囲まれた一区画内に一つの応力セン
サとして機能するに必要な歪みゲージ８を形成する第１
の工程と、前記分割用溝に沿ってスペーサ部材４を形成
する第２の工程と、前記分割用溝に沿って大型の基板を
分割し、個々の応力センサとする第３の工程と、回路板
２表面にスペーサ部材４を固定する第４の工程と、回路
板２表面のランドと、歪みゲージ８との電気接続をする
第５の工程とをこの順に実施することを特徴とする。

【００２２】ここで第２の工程において、「分割用溝に
沿ってスペーサ部材４を形成する」とあるが、この場
合、分割用溝を埋めるように形成しても、分割用溝を避
けてその近辺に形成してもいいことを意味する。分割用
溝が形成されていない側の基板１面に形成する場合であ
っても、分割用溝と対応する位置に形成すればよい。こ
こで分割用溝を埋めるように形成する場合、及び分割用
溝が形成されない側の基板１面であって、分割操作によ
りスペーサ部材４が破壊される位置にスペーサ部材４を
形成する場合は、後の分割をする第３の工程の際にスペ
ーサ部材４形状が予測できない破壊(分割)のされ方をす
る材料からなる場合や、スペーサ部材４の強度が極端に
低下する場合には、分割用溝を避けてその近辺にスペー
サ部材４を形成する方がよい。

【００２３】

【発明の実施の形態】正方形の形状を１単位とし、それ
が多数スルーホール１１の中心を通る分割用溝で縦横に
区切られて存在する、大型のアルミナ製基板１を用意す
る。前記分割用溝は基板１下面に形成されている。まず
図３に示す各基板１下面にＡｇ−Ｐｄ系の導体ペースト
をいわゆるスルーホール印刷（スクリーン印刷技術）に
より形成し、それを焼成する。次に基板１上面の各スル
ーホール１１近辺に同様にスルーホール印刷により導体
９を形成し、それを焼成する。更に酸化ルテニウム系の
抵抗体ペーストを図３に示すレイアウトとなるよう基板
１下面にスクリーン印刷し、焼成して抵抗体１０を得
る。次いで４つの抵抗体１０それぞれに対し一定の抵抗
値になるようレーザトリミングを施す。その後抵抗体１
０を覆うようにシリコーン系樹脂を更にスクリーン印刷
し、硬化工程を経て保護膜（図示しない）を得る。これ
で図３に示す歪みゲージ８レイアウトを有する応力セン
サの集合体が得られる。また各歪みゲージ８からの電気
接続経路は、基板１下面からスルーホール１１内壁面を
経由して基板１上面に至る経路となる。

【００２４】エポキシ系樹脂ペーストを、膜厚約４０〜
６０μｍで、基板１下面の分割用溝を避けて、尚且つ歪
みゲージ８から十分な距離を保ってスクリーン印刷によ
り形成した。その後約２００℃で２０分間保持する過程
を経ることにより、前記ペーストを硬化させ、スペーサ
部材４となる。

【００２５】そして各応力センサに対し、ポリビニルテ
レフタレート（ＰＶＴ）を成形したポスト６をその底面
が前記基板１上面に当接するよう、且つ抵抗体１０と略
対応する位置にポスト６底面の４辺がそれぞれ位置する
ようエポキシ系接着剤で固定する。前記ＰＶＴは、剛性
に優れるため付与された応力を正確に伝達できる利点、
またリフロー工程にも耐えられる耐熱性を有している利
点を有しているため、特に好適に使用できる。

【００２６】その後上記基板１の分割用溝に沿って大型
の基板１を分割して、多数の１単位（個々）の基板１を
有する応力センサを得る。

【００２７】回路板２はエポキシ系樹脂を主成分とする
印刷回路板である。基板１を配置すべき位置に基板１の
スペーサ部材４を下向きにして載置する。このときスペ
ーサ部材４下面にはエポキシ系接着剤を適量塗布してお
く。当該接着剤は後工程であるリフロー工程時に完全に
硬化する。このようにして基板１と回路板２を固着させ
る。

【００２８】その後図３の基板１上面の導体９におけ
る、回路板２上面と近接又は接触する部分、つまりスル
ーホール１１部分以外の導体９と、回路板２面のランド
とをはんだ付けにより電気接続する。このように基板１
と回路板２とを固定した状態をの概要を図３に断面図と
して示す。

【００２９】その後回路板２上には応力センサ制御に必
要な電子部品等が実装され、リフロー工程を経て本発明
の応力センサ装置を得る。

【００３０】本例ではスペーサ部材４に樹脂系材料を用
いているが、それに代えてセラミック系材料やガラス系
材料を使用できる。但し、樹脂系材料やゴム系材料は弾
力性を有しているため、スペーサ部材４の高さばらつき
を緩衝できる点で他に比して有利である。

【００３１】

【発明の効果】本発明により歪みゲージが配された基板
が回路板に固定されてなる応力センサ装置において、長
期間に亘る使用に対しても前記基板と回路板との電気接
続をより確実に維持し、且つｚ方向への応力付与に対す
る基板の撓みを許容できる応力センサ装置を提供するこ
とができた。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の応力センサ装置の構造概要図である。

【図２】従来の応力センサ装置の構造及び動作状態を示
す図である。

【図３】基板面に形成された歪みゲージレイアウト及び
スペーサ部材の配置、及び回路板に基板が固定された状
態の概要の断面を示す図である。

【図４】基板面に形成された歪みゲージレイアウト及び
スペーサ部材の配置を示す図である。

【符号の説明】

１．基板 ２．回路板 ３．空隙 ４．スペーサ部材 ５．電気接続部 ６．ポスト ７．凸部 ８．歪みゲージ ９．導体 １０．抵抗体 １１．スルーホール

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】歪みゲージが配された基板が回路板に固定
   されてなる応力センサ装置において、 前記基板端部と回路板とが、歪みゲージから回路板への
   電気接続に関与しないスペーサ部材を介して固定される
   ことにより、前記基板面と前記回路板面との間に空隙が
   設けられ、 前記歪みゲージから回路板への電気接続が、基板上面、
   基板下面、基板側端面、基板スルーホール内壁面、スペ
   ーサ部材側面、電気線から選ばれる１以上を経由して為
   されることを特徴とする応力センサ装置。
2. 【請求項２】１個又は２個以上のスペーサ部材が組をな
   し、当該組が３以上等間隔に配置されることを特徴とす
   る請求項１記載の応力センサ装置。
3. 【請求項３】基板の一方の面に、樹脂又は繊維強化樹脂
   からなるポストが固着されることを特徴とする請求項１
   又は２記載の応力センサ装置。
4. 【請求項４】歪みゲージが配された基板が回路板に固定
   されてなる応力センサ装置の製造法において、 基板端部、又は当該基板が配置される回路板における基
   板端部と対応する位置に、ペースト状物質を印刷し、当
   該ペーストを硬化させることにより基板と回路板との間
   に空隙を設けることを特徴とする応力センサ装置の製造
   法。
5. 【請求項５】縦横に多数の分割用溝を有する大型の基板
   に対し、当該分割用溝で囲まれたそれぞれの一区画内に
   一つの応力センサとして機能するに必要な歪みゲージを
   形成する第１の工程と、 前記分割用溝に沿ってスペーサ部材を形成する第２の工
   程と、 前記分割用溝に沿って大型の基板を分割し、個々の応力
   センサとする第３の工程と、 回路板表面に前記スペーサ部材を固定する第４の工程
   と、 前記回路板表面のランドと、前記歪みゲージとの電気接
   続をする第５の工程とをこの順に実施することを特徴と
   する応力センサ装置の製造法。